RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO DIRETORIA DE PESQUISA PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA PIBIC : CNPq, CNPq/AF, UFPA, UFPA/AF, PIBIC/INTERIOR, PRODOUTOR, PIBIT E FAPESPA Período : 01/08/2016 a 01/02/2017 ( X ) PARCIAL ( ) FINAL RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO Título do Projeto de Pesquisa (ao qual está vinculado o Plano de Trabalho ): Estudo das propriedades fotofísicas e fotoquímicas de sistemas porfirínicos Nome do Orientador: Newton Martins Barbosa Neto Titulação do Orientador: Pós-doutor Faculdade: Física Instituto/Núcleo: Instituto de Ciências Exatas e Naturais Laboratório: Grupo de Espectroscopia Eletrônica e Vibracional Título do Plano de Trabalho: Investigação das propriedades físicas de moléculas fotomodificadas. Nome do Bolsista: Pallas Athena Miyake Nogueira Tipo de Bolsa : ( x) PIBIC/ CNPq ( ) PIBIC/CNPq AF ( ) PIBIC /CNPq- Cota do pesquisador ( ) PIBIC/UFPA ( ) PIBIC/UFPA AF ( ) PIBIC/ INTERIOR ( ) PIBIC/PRODOUTOR ( ) PIBIC/PE-INTERDISCIPLINAR ( ) PIBIC/FAPESPA ( ) PIBIC/PIBIT 1

2 RESUMO DO RELATÓRIO ANTERIOR Não foram realizadas atividades no semestre anterior pois sou bolsista substituinte do aluno prévio, e esse é meu primeiro semestre como estudante de iniciação científica neste projeto. Todavia, em relação a este plano trabalho, no ano anterior o bolsista que em antecedeu realizou estudos referentes ao processo de absorção de luz por moléculas em solução. Foram realizados estudos tanto teóricos, visando obter conhecimento sobre os fundamentos da espectroscopia de absorção, bem como experimentais, cujo objetivo é me fazer ter contato com a técnica experimental de absorção de Uv-Vis. No que tange aos trabalhos experimentais investigou-se as propriedades absorcivas de moléculas de tetrapiridil porfirina, visando entender como o substituinte central do macroanel influencia sua capacidade de interagir com radiação a partir do estado fundamental. Experimentos de absorção foram realizados para entendermos o funcionamento de espectrofotômetro e após utilizamos este dispositivo para testar as leis básicas que governam os processos de absorção. Para isto, realizamos medidas de absorbância tanto na porfirina base livre (H2TPyP) como no seu análogo de zinco (ZnTPyP). É importante frisar que ao longo desse semestre reproduzi esses experimentos no sentido de me por a par do plano de trabalho. INTRODUÇÃO Ciências moleculares é um ramo que procura entender quais leis governam o comportamento de moléculas quando submetidas as mais variadas condições. Também interessa saber como a partir desse entendimento podemos desenvolver novas tecnologias ou aperfeiçoar outras já existentes em ramos diversos tais como: fármacos, marcadores moleculares, agricultura, cosméticos, fotônica, células solares dentre outros. Para tanto, vários métodos são aplicados para se extrair tal informação da natureza, um deles é a espectroscopia de absorção - que consiste em uma caracterização óptica do material relacionada a capacidade de absorção de luz por este. Ao longo deste trabalho de iniciação científica, realizo estudos referentes ao processo de absorção de luz por moléculas em solução e como podemos usar esta propriedade para investigar processos intrínsecos de modificação de estruturas moleculares. Foram realizados estudos tanto teóricos, visando obter conhecimento sobre os fundamentos da espectroscopia de absorção bem como experimentais, cujo objetivo é me fazer ter contato com a técnica experimental de absorção de Uv-Vis. A absorção de luz ocorre quando uma molécula absorve um fóton com energia equivalente a diferença de energia entre dois estados da mesma. Desta forma a molécula é promovida para 2

3 um estado de maior energia, onde se considera o estado fundamental como o estado de menor energia. Para analisarmos quantitativamente os processos de absorção mede-se a absorbância do material. Esta é uma grandeza física proporcional a quantidade de luz que está sendo absorvida por uma amostra em um determinado comprimento de onda e pode ser calculada através da lei de Beer-Lambert, que pode ser obtida com o seguinte procedimento. Considere um comprimento infinitesimal, de uma amostra de comprimento, contendo moléculas [1]. Podemos construir a seguinte relação onde é a área de seção transversal da feixe incidente (m 2 ), é a concentração molar (mol/l) e é o número de Avogadro. Essa identidade surge de uma regra de três simples: ; Onde e Pode-se escrever a probabilidade de que um fóton seja absorvido por uma molécula como, sendo a área da molécula envolvida na captura do fóton. Considere que o feixe incidente tem intensidade e sofra, ao passar pela camada, um decréscimo. As quantidades e são iguais, uma vez que ambas expressam a quantidade de luz absorvida (evento) em razão de seu total (espaço amostral). O sinal negativo do quociente decorre de ser uma quantidade negativa (pois decresce no processo) e a probabilidade ser, necessariamente, positiva. Portanto segue que: Integrando os dois lados da igualdade, temos ( ) Mudando a base do logaritmo natural para base 10 (por uma questão de convenção na área) e agrupando todas as constantes no segundo membro da equação, tem-se que 3

4 ( ) Portanto, definimos a absorbância de um material como: ( ) Onde é a intensidade do feixe de luz antes de atingir a amostra e a intensidade após passar pela mesma. A constante recebe o nome de coeficiente de extinção molar e é sintetizada na letra grega (L.mol -1 cm -1 ). Desse modo, a lei de Beer-Lambert assume, por fim, a seguinte forma: Esta equação mostra a proporcionalidade da absorbância com a concentração molar (mol.l -1 ) em um dando comprimento de onda, onde é o tamanho do caminho óptico (cm). Podemos entender como um coeficiente que depende apenas das propriedades absorcivas intrínsecas da molécula, a qual varia com a frequência da luz incidente. Este pode ser interpretado como a absorvidade inerente daquela molécula, isto é, duas substancias diferentes, com a mesma concentração, medidas para o mesmo caminho óptico e iluminados pelo mesmo comprimento de onda terão absorbâncias diferentes, uma vez que, por serem compostos diferentes, terão capacidades distintas de absorver luz, esse fato é traduzido no coeficiente de extinção. Durante o período de execução desse plano de trabalho, iniciamos atividades sobre propriedades absorcivas de moléculas de tetrapiridil porfirina, visando entender as propriedades eletrônicas desse tipo de molécula e como a partir desse entendimento pode-se, via espectroscopia de absorção investigar modificações estruturais em moléculas de porfirina. Nesse sentido, investigamos primeiramente como o substituinte central do macroanel influencia na sua capacidade de interagir com radiação a partir do estado fundamental. Para isto, experimentos de absorção foram realizados para entendermos como as leis básicas que governam os processos de absorção funcionam. Para isto, realizamos medidas de absorbância tanto na porfirina base livre (H 2 TPyP) como no seu análogo de zinco (ZnTPyP). Para entender as mudanças observadas iniciei meus estudos sobre a teoria de absorção de luz por moléculas macrocíclicas desenvolvida por Gourteman [2]. Uma vez entendido as propriedades espectroscópicas de moléculas do tipo porfirina utilizamos a espectroscopia de absorção de UV-Vis para investigar o fenômeno de 4

5 agregação em moléculas de ZnTPyP devido a baixa solubilidade em solventes específicos. Por fim é importante frisar que além das atividades de iniciação científica tive êxito em minhas disciplinas não tendo meu desempenho acadêmico prejudicado pelas atividades de pesquisa decorrentes de meu plano de trabalho. JUSTIFICATIVA A pesquisa na área de materiais se fixa em um contexto onde podemos tanto investigar leis fundamentais da ciência a partir do comportamento da matéria quanto desenvolver novas tecnologias, para o mercado e indústria, tais como dispositivos fotônicos, displays, LED s, entre outros. Particularmente, o entendimento sistemático das propriedades ópticas em moléculas e seu uso para a investigação de estruturas eletrônicas é de fundamental importância para o desenvolvimento de novos materiais fotônicos e com aplicações fotomédicas. Nesse sentido porfirinas já vêm a algum tempo se destacando devido a sua grande versatilidade estrutural e grande possibilidade de aplicações em tais áreas. Para a otimização de estruturas moleculares visando estas aplicações é de grande interesse, por exemplo, sabermos qual a influência de substituintes, tanto centrais quanto periféricos, sobre suas propriedades fotofísicas. Sabe-se que moléculas de porfirina possuem grande potencial para estes tipos de aplicações. Em particular, moléculas de tetrapiridil porfirina ainda não tiveram suas propriedades fotofísicas completamente estudadas em função das características físico-químicas dos substituintes [3]. Entre as metaloporfirinas, aquelas modificadas por íons de zinco têm sido estudadas nos últimos anos, principalmente devido a sua aplicação em sistemas de transferência de energia. A maioria desses estudos foram realizados com íons zinco posicionados no centro do anel porfirínico. Neste sentido as atividades realizadas neste plano de trabalho se justificam uma vez que me proporcionaram a oportunidade de ter contato inicial com a pesquisa experimental e com os fundamentos necessários para o desenvolvimento de suas atividades em Física molecular. Além disso, é possível perceber em porfirinas a formação de agregados. Agregados são, em sistemas químicos, estruturas auto-ordenadas geradas por interações moleculares fracas. A formação de agregados ocorre devido a mudanças nas condições da solução e podem ser mapeadas devido a mudanças promovidas nas bandas de absorção da porfirina. Tais mudanças são decorrentes de alterações na estrutura eletrônica das espécies moleculares devido a interações entre as unidades. Logo, essa fenomenologia também gera interesse nessa pesquisa, pois, uma vez que se entende como agregados alteram o espectro de absorção de determinada molécula, construímos mais uma maneira de analisar sistemas fotointeragentes. 5

6 OBJETIVOS Neste trabalho, os estudos são inicialmente voltados para a molécula tetrapiridil porfirina base (H 2 TPyP) e para o seu análogo com substituinte central de zinco ligado ao centro do anel porfirínico (ZnTPyP). Pretendemos com isso analisar como o substituinte central altera as propriedades eletrônicas do anel porfirínico Em um segundo momento, uma vez entendido como o íon central afeta a estrutura eletrônica do anel porfírinico investigamos processos de autoorganização molecular, também denominados de agregados, oriundos de processos de baixa solubilidade. A técnica experimental utilizada será a de espectroscopia de absorção ótica. Quanto a esta nosso objetivo é: 1. Aprender a operacionalizar a técnica de absorção; 2. Entender os fundamentos físicos associados aos processos de absorção em moléculas macrocíclicas; 3. Correlacionar os fenômenos observados nos experimentos com os modelos clássicos de absorção de luz por moléculas. MATERIAIS E MÉTODOS As moléculas de porfirina com zinco são sintetizadas pela equipe do Prof. Dr. Alzir Azevedo Bastista do Departamento de Química da Universidade Federal de São Carlos, são elas a tetrapiridil porfirina base livre (H 2 TPyP) e a zinco tetrapiridil porfirina (ZnTPyP), como modelos de análise, devido seus espectros de absorção já serem bem caracterizados. Estas serão dissolvidas em um solvente formado por clorofórmio com 10% em volume de metanol, e a solução resultante é colocada em uma cubeta para a realização das medidas espectroscópicas. O solvente aqui preparado visa aumentar a solubilidade da molécula de ZnTPyP. Os espectros de absorção são obtidos através de um espectrômetro da marca JASCO e modelo V-670, e são utilizados para verificarmos de que maneira o substituinte alterou a capacidade de absorção da molécula, com processos como: a transferência de carga entre os grupos de zinco e o anel porfirínico, e também a influência destes íons sobre os estados associados às transições eletrônicas do anel. Além disso, investigamos com estes os valores dos coeficientes de extinção para cada comprimento de onda, o que nos da informação sobre a capacidade de absorção dessas moléculas. RESULTADOS Para discutir os resultados é necessário primeiro apresentarmos o que são porfirinas, estas são moléculas constituídas por um anel macrocíclico denominado de anel porfirínico. Esse anel é 6

7 composto por quatro grupos tetrapirrólicos ligados por carbonos que levam o nome de mesocarbonos através das pontes metínicas. Neste estudo, a molécula analisada é a tetrapiridil porfirina (H 2 TPyP), que além do anel porfirínico, já descrito, possui grupos piridínicos ligados aos mesocarbonos, veja Figura 1. Figura 1 Esquema da estrutura da molécula de tetrapiridil porfirina. Na Figura 1 damos destaque a estrutura comum a todas as moléculas de porfirina, o anel porfirínico (estrutura em vermelho). Em preto, na parte lateral vemos os quatro grupos piridina. M na parte central pode ser dois prótons (H+) ou um íon metálico do tipo M 2+ (para o nosso trabalho Zn 2+ ). Essas moléculas, que podem tanto ser encontradas na natureza como sintetizadas em laboratório, têm suas propriedades fotofísicas e fotoquímicas muito estudadas nos dias de hoje. Isso se deve a sua versatilidade quanto à ligação de substituintes, que podem modificar a absorção inerente do composto, sejam aumentando ou atenuando esses aspectos, bem como sua alta conjugação de elétrons π. As porfirinas podem ser classificadas como regulares ou irregulares. Porfirinas regulares são aquelas em que os espectros de absorção são determinados, principalmente, pelos elétrons contidos nos orbitais π. Já as porfirinas irregulares possuem orbitais d e f incompletos e repletos de camadas semipreenchidas. Esses elétrons interagem de forma significante com os elétrons π do anel, provocando perturbações nos espectros de absorção. Neste trabalho, as porfirinas utilizadas, base livre (H2TPyP) e zinco (ZnTPyP), fazem parte do grupo das regulares. O espectro de uma solução de porfirina base livre, em clorofórmio com 10% de metanol, pode ser verificado na Figura 2: 7

8 Absorbância Absorbance Wavelength (nm) Comprimento de Onda (nm) Figura 2: Espectro de absorção para tetrapiridil porfirina base livre (H 2 TPyP) na região do UV Vis. Inserido apresentamos uma ampliação da região da banda Q. Nota-se duas regiões que se destacam: a região da banda de Soret e a região da banda Q. A banda de Soret pode ser localizada em torno de 400 nm enquanto que a banda Q encontra-se, geralmente, entre 500 nm e 650 nm (região ampliada em destaque). Essas duas bandas correspondem aos estados eletrônicos da molécula, entretanto é possível perceber a formação de outros picos, principalmente na banda Q. Esses picos estão associados aos estados vibracionais do anel e por esse motivo têm uma diferença de energia menor entre si. A molécula de porfirina base livre apresenta uma simetria do tipo C 2h e o número de sub-bandas dessa região está associado a está simetria molecular. Veremos adiante que podemos mudar a simetria, devido a substituição do prótons por um íon metálico na região central e como consequência observarmos as mudanças no espectro decorrentes. Também foi medido o espectro de absorção da zinco porfirina e, a fim de comparar suas propriedades absorcivas, ambos os espectros foram normalizados e sobrepostos em um único gráfico como é exposto na Figura 3: 8

9 Absorbância Absorbância Absorbância 1.0 Banda de Soret 0, ,4 0.6 H 2 TPyP 0,0 400 Comprimento de onda (nm) 0.4 ZnTPyP Banda Q 0,1 0, Comprimento de onda (nm) Comprimento de Onda (nm) Figura 3: Espectros de absorção normalizados para H 2 TPyP (linha preta) e ZnTPyP (linha vermelha). Inseridos mostramos ampliações na região da banda de Soret e na Região da banda Q. Verifica-se que a substituição dos dois prótons H + existentes na base livre pelo íon Zn 2+ no centro do anel, provoca as seguintes modificações principais: Deslocamento da banda de Soret para região do vermelho do espectro, um estreitamento da largura de linha da banda de Soret em uma diminuição no número de modos vibrônicos da banda Q. A primeira modificação no espectro representa uma diminuição do gap de energia para transições HOMO LUMO uma vez que a bandas, após inserção do íon metálico, se deslocam para regiões de menor energia. Além disso, a presença do substituinte de zinco aumenta a planaridade do composto que, dessa forma, facilita a passagem de elétrons π pelas conjugações da cadeia. Dessa forma, a molécula precisa de menos energia para sair do estado fundamental e adquirir sua nova configuração de orbitais. Em relação à diminuição do número de sub-bandas vibrônicas, estas são decorrentes do aumento da simetria molecular, devido a inserção do íon de Zinco. Ao inserir o íon metálico mudamos a simetria do composto de C 2h para D 4h, o que implica em uma molécula com maior simetria. Este aumento de simetria implica num aumento na degenerescência nos níveis vibrônicos o que explica a diminuição dos níveis detectados. Como foi já abordado na introdução, agregados resumem-se em aglomerações de moléculas formadas por uma mudança no ambiente da solução química. Existem vários tipos de agregados, entre eles, os mais recorrentes são os do tipo H e J. Através das técnicas de espectroscopia é possível determinar qual o tipo de agregado formado, portanto a espectroscopia 9

10 Absorbância de absorção consiste em uma técnica muito útil para este estudo [4]. Dado um dipolo elétrico entre duas cargas definido como [5]: e, o vetor momento de dipolo elétrico é Onde é o vetor que liga a carga negativa à carga positiva. De posse disso podemos definir também o vetor momento dipolar de transição como, dado dois estados e o vetor momento dipolar de transição é o momento dipolo associado a esses dois estados [1]. Em agregados do tipo J as moléculas são agrupadas em aglomerados de uma dimensão, de modo que os vetores momento de transição são paralelos aos eixos que ligam os centros dos monômeros. Tal acoplamento de vários monômeros gera um deslocamento para maiores comprimento de onda em relação ao espectro da molécula não agregada (deslocamento para o vermelho). Já para agregados do tipo H os vetores momento de transição são ortogonais aos eixos que ligam os centros dos monômeros, o que implica um deslocamento para regiões de maior energia (deslocamento para o azul) [6] Foi medido em laboratório um espectro de absorção de ZnTPyP diluída em clorofórmio e percebeu-se que a mesma possuía agregado do tipo J como mostra o espectro na Figura 4 medido a zero L de metanol uL 10uL 20uL 30uL 40uL 50uL 60uL 70uL 80uL 90uL 100uL 110uL 120uL 130uL 140uL 150uL 160uL 180uL 200uL 250uL 300uL 350uL 400uL 450uL 500uL 600uL 700uL 800uL 1000uL 1200uL 1400uL Comprimento de onda (nm) Figura 4: Espectro de absorção de ZnTPyP com clorofórmio em diferentes volumes parciais de metanol.. 1 0

11 Nesse experimento, inicialmente, temos uma solução de ZnTPyP diluída puramente em clorofórmio, que corresponde a curva medida com 0 L de Metanol. Verifica-se que com a adição de alíquotas de 10 L de metanol o espectro se modifica de uma configuração inicial associada a um agregado tipo J para um espectro de ZnTPyP em forma monomérica curva obtida com a adição de 1400 L. Podemos perceber que o espectro final (1400 L) corresponde claramente ao espectro de ZnTPyP obtido anteriormente, de modo que verifica-se um deslocamento espectral para o azul com a adição de metanol. Sabe-se que a adição de metanol em clorofórmio aumenta a solubilidade de moléculas de ZnTPyP, o que indica que a variação espectral observada está associada a um processo de desagregação das moléculas de ZnTPyP. Sua agregação inicial se deve ao fato de que estas são pouco solúveis em clorofórmio puro o que facilita a formação de estruturas agregadas. É importante frisar que a investigação desse efeito de autoorganizaão em diversos tipos de moléculas é um tópico de alto interesse atualmente devido a possibilidade de desenvolvimento de processos de para obtenção de estruturas supramoleculares [7]. Tal fenômeno pode ser explicado devido à falta de afinidade química entre a porfirina de zinco com o clorofórmio. A molécula de ZnTPyP rejeita as moléculas CHCl 3, agrupando-se em aglomerados específicos que provocam um desvio característico no espetro observado. [6]. Uma análise inicial dos espectros na Figura 4 indica a existência de um possível ponto isosbésticos em torno de 432nm. Pontos isosbésticos são pontos no espectro onde não ocorrem variação no valor da A presença de um ponto isosbéstico indica a formação de uma nova estrutura a partir do consumo da espécie original, durante o processo estudado, dai a sua importância. Todavia, uma análise mais detalhada desta região, veja Figura 5, mostra que ocorre o deslocamento desse ponto, o que indica a formação de estruturas intermediárias sucessivas entre o agregado inicial e o monômero de ZnTPyP final obtido após a completa desagregação. 1 1

12 Absorbância 0, Comprimento de Onda (nm) Figura 5: Banda de soret ampliada da figura 4, na região de um possível ponto isosbéstico. PUBLICAÇÕES: Não houve publicações até o presente momento. CONCLUSÃO: Através da técnica de espectroscopia de absorção obtivemos informações sobre as propriedades fotofísicas e fotoquímicas da matéria. Para este trabalho estudamos a molécula de porfirina e verificamos, através de espectros de absorção, como a estrutura da molécula é alterada devido à inserção de um íon de zinco no centro do anel. Desta forma conseguimos perceber que a simetria está diretamente ligada às transições eletrônica da mesma. Vimos também que fenômenos de agregação na molécula de ZnTPyP são provocados pela baixa solubilidade destas em clorofórmio. Usando espectros de absorção é possível determinar qual foi o agregado formado, pois cada um tem um desvio característico devido ao ângulo entre o momento de transição e o eixo que ligam os monômeros. Concluímos que o agregado formado é do tipo J e este ocorre devido a falta de afinidade da ZnTPyP com o CHCl

13 Por fim a ausência de pontos isosbésticos estáticos nos espectros de absorção indica a formação de estruturas intermediárias entre fase de maior agregação e a fase monomérica. ATIVIDADES A SEREM DESENVOLVIDAS NOS PRÓXIMOS MESES No próximo semestre desenvolveremos investigações sobre o processo de fotoagregação e sobre o processo de transição de fase agregado não agregado implícito a este processo. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] B. Valeur, Molecular Fluorescence: Principles and Applications. Toroto: Wiley, (2002). [2] M. Gouterman, J. Mol. Spectrosc (1961) [3] R. N. Sampaio. Investigação do efeito de grupos periféricos de rutênio sobre as propriedades fotofísicas de porfirinas, Dissertação (Mestrado em Física) Institituto de Física, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia [4] R.N. Sampaio, A.E.H. Machado, E. Piovesan, P.J. Gonçalves, R. De Paula, J.A.S. Cavaleiro, N.M. Barbosa Neto. Dyes Pigm. 100, (2014). [5] H. M. Nussenzveig, Curso de Física Básica 3. 5 ed. São Paulo: Buncher, [6] C. N. Maiti, S. Mazumdar, N. J- Periasamy. J. Phys. Chem. B, 102, (1998). [7] M. Chen, M. Zhong, J. A. Jhonson, Light control radical polymerization: Mechanism, methods and Applications. Artigo recém aceito no Chemical review. DOI: /acs.chemrev.5b DIFICULDADES Durante o primeiro semestre a única dificuldade encontrada foi em relação ao demora e burocracia para compra de itens simples, tais como, regentes, vidrarias e partes dos sistemas de controle de temperatura e pressão. Estes acarretam em atrasos desnecessários na pesquisa. PARECER DO ORIENTADOR: A estudante cumpriu com suas obrigações com seu plano de trabalho, realizando todas as atividades de forma bastante satisfatória. Adicionalmente seu desempenho acadêmico não foi prejudicado uma vez que o mesmo obteve êxito em todas as disciplinas que vem cursando. Gostaria de destacar a evolução do estudante no que diz respeito a seu aprendizado sobre metodologia científica. Ficou claro para mim a melhora das seguintes capacidades: 1) realização de experimentos e coletas de dados, 2) análise e interpretação dos dados. Um ponto que ainda precisa evoluir é no que diz respeito a compreensão de conceitos científicos básicos, todavia tal 1 3

14 fato é absolutamente natural dado a pouca idade do mesmo. DATA : 24/02/2017 ASSINATURA DO ORIENTADOR ASSINATURA DO ALUNO 1 4